自种子注入双固体标准具耦合腔高效脉冲中红外光参量振荡器技术研究.pdf

1、3-5μm中红外激光在大气污染物监测、目标特征探测、激光医疗以及高分辨率光谱学等领域具有广泛的应用前景，尤其窄谱宽可调谐的激光系统是满足此类应用的理想光源。例如在3μm的附近波段，大气环境检测领域中，温室气体N2O（笑气）的吸收峰在2.85μm附近，大气污染物C2H2的吸收峰在3.05μm等。采用光参量振荡(OPO)技术实现宽调谐中红外相干激光输出是一种有效的技术手段，基于此技术的固体激光光源具备寿命长、效率高、可靠稳定性高等优点。在O

2、PO技术所用到的非线性晶体中，掺氧化镁的周期性畴极化铌酸锂(PPMgLN)晶体因采用准相位匹配技术而具备高增益、宽调谐、低阈值等优点，且其优良的光谱透过性使其可用到高效且技术成熟的lμm光纤激光器泵浦源，此类泵浦源具有高紧凑性和高便捷性等优点，因此，光纤激光器泵浦的宽调谐脉冲中红外PPMgLN-OPO光源因具有高峰值功率、低阈值等优点更受到科研工作者的青睐。但是，受到泵浦光谱宽和PPMgLN增益谱宽等因素的影响，通常情况下，中红外OPO

3、光源自由振荡激光输出的光谱宽度（谱宽）很宽，一般高达十几纳米甚至几十纳米，难以满足在实际应用窄谱宽(＜0.5nm)激光光源的需求;因此，获取宽调谐、窄谱宽高效中红外输出具有重要的意义。本文针对在中红外脉冲激光谱宽控制、波长调谐以及转换效率等方面遇到的难以整合的问题，分别开展了理论和实验研究，获得了宽调谐、窄谱宽高效3μm附近的中红外脉冲激光输出。
　　在理论方面:(1)从相位匹配理论出发，理论分析并计算了PPMgLN-OPO的周期

4、输出波长调谐和温度波长输出调谐特性，为实现可调谐中红外激光提供基本理论依据。(2)基于激光谐振腔理论，分析了腔参数对振荡信号光模式的影响;同时，在双程泵浦情况下，分析了返程泵浦光的光斑对OPO阈值和转换效率的影响;基于此理论分析进一步优化了OPO腔结构，以实现OPO低阈值高效的运转。(3)从光色散基本理论出发，理论分析了在参量系统中，泵浦光的谱宽、泵浦光发散角、参量噪声、高增益等因素对参量系统闲散光谱宽的影响;在单谐振OPO系统中，分析

5、并推导了自由振荡OPO闲散光谱宽随泵浦光超阈值倍数的变化关系，据此得出实现窄谱宽中红外参量激光输出的必备因素，为光谱宽度控制元件（全息体光栅、标准具）的技术参数提供依据;同时，为下一步实验获取窄谱宽高效中红外激光输出提供理论依据。(4)根据研究课题目标要求，理论分析并模拟实验中选频元件（全息体光栅、标准具）的光谱选择性，为实验奠定理论基础。
　　在实验方面:(1)根据实验的需求，设计并制作了高精度温控炉。(2)采用单频脉冲光纤激光

6、器作为PPMgLN-OPO的泵浦源，采用凹凸弯月镜在保证信号光和泵浦光模式匹配的情况下聚焦返程泵浦光，获得了高效中红外激光输出，为实现下一步窄谱宽高效中红外激光输出奠定了基础。(3)在被动闲散光谱宽控制的技术路线下，采用优化设计的反射式全息体光栅作为信号光谱宽的压窄元件，在约14W的泵浦功率下，将振荡信号谱宽度从约10nm（自由振荡情况下）压窄到0.1nm，间接地将闲散光从自由振荡时的40nm压窄到0.42nm，解决了闲散光无法直接被压

7、窄的问题，同时，中红外激光的光光转换达到了18.1％，验证了此方案间接实现高效窄谱宽闲散光的正确性:但是，仅实现了约为8nm的中红外闲散光的波长调谐。(4)为了克服因为反射型布拉格对温度调谐的不敏感性和使用环境温度范围的局限性。在间接获取中红外闲散光的技术路线下，采用单纵模光纤激光器泵浦PPMgLN，将标准具设计作为OPO的腔镜，有效地对振荡信号光的增益谱宽进行调制和控制;同时，采用种子自注入技术和双固体标准具耦合腔，使振荡信号光微弱边